浅谈玻璃幕墙节能设计

浅谈玻璃幕墙节能设计摘要：在综述玻璃幕墙热工性能的基拙上，探讨如何合理选择玻璃材料以达到节能的目的；如何在建筑节能设计（尤其是玻璃幕墙的设计）中根据不同的气候区域采用有效的隔热或保温措施，并强调借鉴国内外先进节能技术的意义。关键词：玻属幕墙；建筑节能；保温；隔热 1前言 玻璃幕墙作为建筑物的外装饰是现代化城市建筑的重要标志之一，它打破了传统的实体墙与门窗的界限，巧妙地将建筑物围护结构的使用功能与装饰功能有机地融为一体，使建筑物更具时代感和艺术性。当前，建筑节能成为我国可持续发展战略的一部分，社会对建筑节能的意识也在逐渐增强。建筑节能主要是围护结构的节能，而玻璃墙是现代建筑围护结构的一个重要组成部分。充分考虑玻璃幕墙使用的灵活性和最大限度地减少能耗，是建筑师和采暖空调工程师巫需解决的问题。 2玻璃幕墙的保温隔热性能及节能设计原则 玻璃幕墙保温隔热性能较差，通风效果不好，直接影响到建筑物的设备配置及能源消耗，有悖于我国的国情。保温隔热性能是指幕墙两侧存在空气温差条件下，幕墙阻抗从高温一侧传向低温一侧传热的能力，不包括从缝隙中渗透空气的传热。幕墙保温性能用传热系数k表示。玻璃幕墙的保温隔热性能分级应符合相关规定（表中k值为幕墙中固定部分和开启部分所占面积的加权平均值）。 幕墙的保温性能应通过控制总热阻值和选取相应的材料来解决。为了减少热损失，可以从以下三个方面进行改善：第一是改善采光窗玻璃的保温隔热性能，尽量选用中空玻璃，并减少开启扇；第二是对非采光部分采用隔热效果好的材料作后衬墙（如浮石、轻混凝土）或设置保温芯材；第三是做密闭处理和减少透风。 各地气候条件不同，对幕墙的性能也有不同的要求。在夏热冬暖地区，隔热是建筑围护结构节能的主要问题。玻璃幕墙的隔热性能主要是针对辐射、传导与对流。在谈及反射玻璃时，人们往往只强调它的辐射性能。固然，辐射是上面各种方式中最主要的部分，可占全部热量的2/3左右，空调的主要负荷也来源于太阳辐射，因此，应有效阻挡太阳辐射。但在实际使用中，如幕墙在持久的曝晒下，反射玻璃由于散热较其它玻璃慢，尽管它的反射能力大，但热量的累积使它不可避免地成为一个新热源，所以，玻璃幕墙对太阳能的透射能力是值得关注的问题。温差传热、空气流动热交换也是夏季围护结构节能应考虑的问题，这两个方面的传热均是由室内外温差造成的，不同的是前者是通过传热，后者是通过室内外空气渗透。在进行幕墙热工设计时，必须对其进行具体分析和研究，如：幕墙外表面与周围空气和外界环境间的对流换热、幕墙内表面与室内空气和室内环境间的换热、幕墙和金属框格的传热、通过玻璃的镀膜层减少的辐射换热等。 建筑节能是贯彻可持续发展战略的一个重要方面，是执行节约能源、保护环境基本国策和中华人民共和国节约能源法的必要组成部分。我国各地区的气候条件不同，不可能采取同一种模式，而应该针对不同地域采取不同的措施，处理好建筑的节能问题。各建筑气候分区均有或即将有相应的节能设计法规和标准出台，如严寒地区、寒冷地区、温和地区的幕墙要进行冬季的保温设计。幕墙热工设计应依据国家现行的民用建筑热工设计规范(GB50176一93),采暖居住建筑节能标准( JGJ26-95)和夏热冬冷地区居住律筑节能设计标准(JGJ134一2001)等来执行。这些标准的颁布和实施，无疑将有力推动我国建筑节能技术的研究和应用。 3合理选择幕墙玻璃材料，降低建筑能耗 对于玻璃幕墙来说，由于玻璃的面积占据立面的大部分，可以参与热交换的面积较大，能耗也大，决定了玻璃材料是其节能的关键。如果使用普通透明玻璃，它的传热系数偏高，且对太阳辐射和远红外热辐射没有有效限制，因此其面积越大夏季进入室内的热量越多，冬季室内散失的热量也越多。不同的玻璃具有不同的性能，一种玻璃不能适用于所有气候区域和建筑朝向。为阻挡太阳热辐射，必须对玻璃进行一定的处理。在玻璃原片中添加一些元素可以制成吸热玻璃，在玻璃的一面镀膜可制成热反射玻璃、Low一E玻璃及Solar一E玻璃等。比如，吸热玻璃吸收的热量越多，隔热的效果就越好。但吸热和透光经常是矛盾的，所以吸热玻璃的隔热能力也受到一定的限制，况且吸热玻璃吸收的一部分热量仍然有相当数量会传入室内。再比如，热反射玻璃在反射红外线的同时，对可见光的透射也有很大的衰减和反射，造成采光不好，反射光则造成眩光污染。由于热反射玻璃反射太阳能，因而不适用于北方寒冷地区。低辐射镀膜玻璃是在20世纪90年代发展起来的新型保温玻璃，其辐射率一般为0.1左右，最低可以降至0.05，是普通玻璃辐射率的十分之一左右，提高了节能效果。而遮阳型Low一E玻璃采用独特的热喷射镀膜技术制作而成，除本身具有低辐射性能外，它还具有控制阳光的性能。 一般而言，采用单片吸热玻璃或热反射玻璃、Low一E玻璃、Solar一E玻璃能取得一定的节能作用，但效果是有限的，在玻璃面积太大时仍不能满足要求。采用这些玻璃组成的中空玻璃是较好的选择。对于中空玻璃，外片玻璃一般采用吸热玻璃、热反射玻璃、吸热的Low一E玻璃。内片采用透明玻璃、Low一E玻璃等。这样，外片玻璃吸收绝大部分太阳辐射热，而空气层将外片玻璃的热辐射阻挡在外面而不对室内产生二次辐射传热。中空玻璃的采用不仅能降低太阳辐射，也能有效地阻止温差传热。南方首先是减少太阳辐射，这与北方的保温存在原则上的差异。在北方，中空玻璃一般是尽量减少对太阳短波辐射的阻挡，而使得大量的太阳辐射进入室内。而在南方，中空玻璃首先是吸收或反射太阳短波辐射，再利用中空玻璃的空气层有效隔绝温差传热和长波辐射，而使得大量的太阳辐射不能进入室内。中空玻璃的隔热性能主要因其内部气体处于一个封闭的空间，气体不产生对流，而且空气的导热系数为0.028W/(m2K )，是玻璃的导热系数0.77W/(m2K )的1/27，除中空玻璃四边的密封胶导热，对流和传导在中空玻璃的能量传递中占较小的比例。要提高中空玻璃的隔热性能，一般是增大空间的厚度和使用导热系数低的气体置换中空玻璃内部的空气，这样可减少传导，但中空层不宜过大，合理的间隙是512mm左右。要降低辐射传热，一般是通过使用镀膜玻璃或低辐射玻璃来控制各种射线透过，达到降低辐射传热的目的。通过计算和实验数据显示，通常单片玻璃的传热系数k = 6W/(m2K )，中空玻璃（普通）k =2.33.2W/(m2K )，而采用离线低辐射镀膜中空玻璃（中空层充惰性气体）k=1.262.0W/(m2K )。需要注意的是，中空玻璃和Low一E中空玻璃，以及阳光镀膜玻璃都有不同程度的节能效果。如何选用，要根据建筑整体设计要求，用于哪个部位，要达到什么样的效果，选用不同类型的节能玻璃，并非“u”值越低越好。要综合考虑，要考虑质量、使用寿命、装饰效果、成本和要求的节能效果。 4综合采取各种相关的建筑节能措施 玻璃幕墙的节能，一方面是减少其使用面积，特别是东、西墙面的使用面积，这主要在建筑设计时确定。在建筑设计中，将需要采光、通风和设置玻璃幕墙的墙面安排在南、北面，尽量减少其朝东或朝西的面积；另一方面是遮阳。由于空调负荷很多都是来自太阳辐射，而玻璃又是太阳辐射得热的主要来源，因而遮阳对玻璃幕墙节能是很有效的，可以使室内长期处于阴凉的地方，从而实现最大限度的降温。在设计遮阳构造时要结合幕墙建筑的整体艺术效果、材料与颜色进行考虑，而且形式要简单、美观，便于清洗、安装。不同形式的遮阳板有时会影响建筑的立面造型，但如果处理得好，会使建筑更加协调。比如，竖向与横向结合的综合式遮阳板既提高了遮阳效果，又可作为立面从实到虚（实墙到玻璃）二者的过渡部分，这种强烈的虚实对比使建筑的个性十足，充分展示出的结构美而让建筑栩栩如生。遮阳最有效的是外遮阳。在外遮阳措施不太可行的情况下，内遮阳、玻璃内部遮阳等均是有效的节能措施。另外，良好的自然通风不仅能保持室内空气的清新，也可以最大限度地减少使用空调的时间，从而达到节能的效果，在寒冷地区采用大面积玻璃幕墙时应用保温措施，防止“热桥”产生，由于幕墙框多为金属材料，金属比玻璃导热系数大，当室内外温差大时，应注意防止结露、挂霜，如在幕墙竖框内外均用热绝缘橡胶密封条分隔形成“热断桥”后，幕墙就不产生结露现象了，而且视野清晰。 在设计玻璃幕墙建筑时，应科学合理地规划、设计和施工，避免玻璃幕墙带来的弊病。玻璃幕墙可将阳光的热量反射到周边建筑物、人行道或广场上，使人有灼热感，甚至损坏其他建筑物上的建筑材料（如密封胶、沥青材料等）。因此，不要将玻璃幕墙建筑物安排得过于集中，不要面向居民楼设置玻璃幕墙，限制在并列的和相对的建筑物上采用全部玻璃幕墙。在“丁”字路口和居民区20m以下高度不使用大面积、高反射率的镀膜玻璃。玻璃的阳光控制膜有低反射、吸热等不同数值可供选择，如反射率在5%70之间变化，可根据使用要求作出调整。设计落地幕墙时可采用在墙脚布置绿化遮挡热量，也可改用反射率低的铝板、石板等。 5探索先进的节能技术 上世纪70年代能源危机后，人们逐渐意识到玻璃幕墙在能源消耗方面的缺陷，发展了不同的系统来增强玻璃幕墙的热工性能。幕墙节能包括两个内容：一是减少冬季采暖的热损失；二是减少夏季空调制冷的热量进入。未来幕墙热工设计追求功能的主动性和积极性，变被动设计为主动利用能源的理念。幕墙热工设计发展趋向是对于采暖供热为主的幕墙追求达到温室效应，对于空调制冷为主的幕墙追求达到冷房效果，无论哪种幕墙都将力图合理利用绿色能源之最太阳能。未来的节能型幕墙的结构特征是采用光热效应优化组合的双层或多层中空玻璃、断热复合型金属框格，非采光部位采用仿真复合型轻质隔热低发泡化学材料、开启部位采用高性能（气密、水密、隔热、隔音）复式密封窗。幕墙饰面材料的光敏、热敏特性与室内供热、制冷系统形成计算机自控网络，达到幕墙热工效应智能化。幕墙结构体系和太阳能利用体系的结合形成一体化，达到幕墙热工效应多元化。 新型幕墙追求保温隔热、降低消耗、消除噪声、可控阳光等效果，且标准越来越高，要满足大厦全天候人工空调系统的环境和节能设计要求。因此，幕墙的金属结构、玻璃、壁板及其他饰面材料，必须同时达到新型高档建筑对围护结构体系的设计要求。最近，在国外开始使用的一种光电幕墙，为利用太阳辐射热开辟了一条新路。光电幕墙是在玻璃中间复合光电池板块，然后在装配时将其连接在一起，从而形成一套发电系统。这套发电系统通过一定的储存设备和转换设备将电能转化为可以直接应用的电源，供照明及辅助设施之用。另外，作为智能幕墙的一种，通风性幕墙是一个双层玻璃外层再加一层单片玻璃幕墙，在两个玻璃幕墙中间形成一个通道，在夏天太阳直射外层玻璃幕墙，通道起到烟囱效应，可使热空气自下而上流动，带走单层玻璃幕墙内的热空气，由上方排除，降低内侧幕墙的表面温度，冬季则把通道上下关闭，阳光照射形成温室，这样等于提高了内侧幕墙外表面温度，减少取暖费用。当然，不一定整个幕墙作为一个通风通道，可以二层、三层一组，高层幕墙可以分组通风。目前，上海几家玻璃公司（厂），已能够按照玻璃幕墙使用环境的要求，生产出各种不同控制阳光反射和光通透值的幕墙玻璃。根据我国的气候和纬度，江南地区夏季长、气候炎热，宜采用高光通透、低辐射的镀膜玻璃，避免采用透光度太低而反射率高的银灰色玻璃。一般可用透光度14%、光反射在3334%，或透光度18%、光反射为27的镀膜玻璃，即可降低光污染。而我国北方地区夏季短、气温不高，选用幕墙玻璃的原则应与南方相反。 6结语 节能是人类社会目前经济发展所面临的共同课题。伴随着人类社会的发展，建筑设计理念的不断提升，现代建筑在资源利用、节约能源、环境协调等方面提出了新的要求。采用大面积玻璃幕墙是现代建筑的一种潮流。玻璃幕墙作为一项高新技术，其节能的效果直接与幕墙设计有密切关系。应配套科学的测量标准和方法，完善相应的评估手段，创造出新型建筑节能技术和设计